0 引言

    汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，在方便人類的同時也會對能源和環(huán)境帶來巨大的壓力,。電動汽車(Electric vehicle,，EV)能有效地緩解能源危機(jī)，減少環(huán)境污染,，以其高效,、節(jié)能、低噪聲,、零排放等優(yōu)點(diǎn)越來越受到各國政府和企業(yè)的重視,，汽車的電氣化是未來發(fā)展的必然趨勢。另一方面,，電動汽車的充電方式分為有線充電和無線充電,。有線充電在電能傳輸過程中易產(chǎn)生火花，影響用電設(shè)備的壽命和安全,，同時維護(hù)困難,、靈活性較差，在雨雪等惡劣環(huán)境下充電困難^[1],。而無線充電具有更高的靈活性和穩(wěn)定性,，能夠減少對電網(wǎng)沖擊的影響。同時還可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)供電,，這恰恰解決了目前電動汽車動力電池容量有限而導(dǎo)致續(xù)航能力不足這一關(guān)鍵技術(shù)問題^[2],。利用無線充電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人性化、智能化,，同時還解決了接觸式充電在安全維護(hù)方面的問題^[3],。因此，對電動汽車采用無線充電技術(shù)更加符合未來社會的發(fā)展方向,。

    本文在前人研究的基礎(chǔ)上,，對電動汽車無線充電技術(shù)進(jìn)行探討。首先介紹了三種常用的無線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transfer,，WPT)技術(shù)的傳輸機(jī)理,。其次描述了三種技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,，并對存在的問題及相應(yīng)的解決措施進(jìn)行總結(jié)。最后概述了WPT在電動汽車無線充電中的發(fā)展方向,。

1 無線電能傳輸技術(shù)的分類

    常見的WPT技術(shù)主要包括：感應(yīng)耦合式,、微波輸能式以及耦合諧振式三類^[4]。

    感應(yīng)耦合能量傳輸(Inductively Coupled Power Transfer,，ICPT)技術(shù)是利用松耦合變壓器,，在變壓器一次側(cè)通入交變電流，通過電磁感應(yīng)原理在變壓器二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流,，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸^[5],。

    耦合諧振無線能量傳輸(Magenetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)技術(shù)基于近場強(qiáng)耦合理論,，同樣以電磁場為媒介,，通過發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合諧振作用，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸^[6],。由于該技術(shù)利用近場區(qū)的能量非輻射特性,，使能量在具有相同諧振頻率的發(fā)射線圈與接收線圈之間來回傳遞，不同頻率的物體基本不受影響,，導(dǎo)致該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效,、相對ICPT技術(shù)較遠(yuǎn)距離的能量傳輸。

    微波輸能(Microwave Power Transfer,，MPT)技術(shù)是通過微波功率發(fā)生器將直流電能轉(zhuǎn)換成微波能量,，并由發(fā)射天線聚焦后向整流天線高效發(fā)射，微波能量經(jīng)自由空間傳播到整流天線,，并經(jīng)過整流天線的整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流功率后給負(fù)載供電,。該技術(shù)將能量直接從發(fā)射端傳送到接收端，傳輸損耗只有大氣損耗,、雨衰和遮擋物損耗等^[7],。表1對三種技術(shù)的特性進(jìn)行概述。

    WPT技術(shù)能否用于電動汽車的三個主要因素是：大功率,、高效率和遠(yuǎn)距離^[8],。由表1可知：MCR-WPT的傳輸距離適中，對橫向偏移有更大的適應(yīng)度^[9],，是目前最被看好的用于電動汽車的無線充電的方式,。ICPT雖然存在傳輸距離短，橫向偏移容差小的問題,，但是由于該技術(shù)研究起步早,，相對成熟，已經(jīng)成功運(yùn)用在了EV無線充電中,。而MPT技術(shù)傳輸功率小,，效率較低,，在應(yīng)用于電動汽車無線充電方面還需要進(jìn)一步研究。

2 WPT在EV無線充電中的應(yīng)用

    電動汽車無線充電原理如圖1所示,。具體原理是：從電網(wǎng)輸出的電能經(jīng)過控制調(diào)理電路滿足系統(tǒng)的輸入電壓,、輸入電流及工作頻率等的需要，而后經(jīng)過發(fā)射線圈,，利用WPT技術(shù),，將能量傳遞到接收線圈，在控制調(diào)理電路的處理下,，轉(zhuǎn)換成適合給電動汽車動力電池充電的電壓、電流,，從而實(shí)現(xiàn)電動汽車的無線充電,。

2.1 ICPT在EV無線充電中的應(yīng)用

    新西蘭奧克蘭大學(xué)NAGENDRA G R等人最早將ICPT技術(shù)應(yīng)用于EV中，在傳輸距離為20 cm時實(shí)現(xiàn)了10 kW的電動汽車無線充電系統(tǒng),，橫向偏移誤差可達(dá)到20 cm^[10],。韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)院SHIN J等人利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了線上電動汽車(Online Electric Vehicle，OLEV)的無線充電,，傳輸距離為26 cm,，輸出功率為100 kW，傳輸效率達(dá)到80%,，第一代線上電動汽車系統(tǒng)已經(jīng)被商業(yè)化應(yīng)用在首爾大公園^[11],。東北電力大學(xué)劉闖等人搭建了一個5.5 kW的電動汽車無線充電系統(tǒng)，效率可達(dá)到95.73%^[12],。雖然該技術(shù)取得了一定的進(jìn)展,，但是仍有問題需要解決。

    WPT應(yīng)用在電動汽車上的前提條件是傳輸距離最小不能低于20 cm^[13],，而ICPT技術(shù)存在的最大問題就是傳輸距離小,，一般該技術(shù)的傳輸距離不大于15 cm^[14]。為此,，韓國明知大學(xué)LEE J Y等人提出了一個適用于電動汽車的大間隙雙向無線能量傳輸充電器,，通過利用PWM控制，保證系統(tǒng)可以在12～20 cm的距離下穩(wěn)定的工作^[15],。新西蘭奧克蘭大學(xué)BUDHIA M等人采用將線圈直徑增大到700 mm,，實(shí)現(xiàn)了20 cm的無線能量傳輸^[16]。其次,，該技術(shù)橫向偏移容差?。寒?dāng)發(fā)射線圈和中心線圈不能完全對準(zhǔn)時，系統(tǒng)的傳輸效率會迅速下降,。針對該問題,，劉闖等人通過合理設(shè)計雙LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù),，可將橫向偏移增加到12 cm^[12]。韓國先進(jìn)科技學(xué)院CHOI S Y等人提出采用不對稱的線圈結(jié)構(gòu)將橫向位移增加到40 cm,，可以滿足電動汽車無線充電需求^[17],。西班牙薩拉戈薩大學(xué)VILLA J L結(jié)合串聯(lián)拓?fù)浜筒⒙?lián)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，提出一種發(fā)射端串并補(bǔ)償,，拾取端串聯(lián)補(bǔ)償?shù)耐匮a(bǔ)結(jié)構(gòu),，將錯位容差的范圍增大25%^[18]。

    在磁芯線圈參數(shù)設(shè)計方面,，系統(tǒng)傳輸性能和空間尺寸,、系統(tǒng)成本等因素相互制約。所以如何實(shí)現(xiàn)大功率高效率及小型化的系統(tǒng)設(shè)計一直是該技術(shù)研究的難點(diǎn),。西南交通大學(xué)馬林森等人綜合E型磁芯和U型磁芯的優(yōu)點(diǎn),，提出了一種新型磁芯結(jié)構(gòu)，能夠提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性^[19],。美國橡樹林實(shí)驗(yàn)室,，日本埼玉大學(xué)分別采用方形圓角線圈結(jié)構(gòu)，H型磁芯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了千瓦級別的無線能量傳輸^[20-21],。

2.2 MCR-WPT在EV無線充電中的應(yīng)用

    MCR-WPT技術(shù)一經(jīng)問世,，就受到各國研究人員的廣泛關(guān)注。美國威斯康辛大學(xué)Sesung-Hwan Lee等人在工作頻率為3.7 MHz,，傳輸距離為30 cm的條件下,，實(shí)現(xiàn)了3 kW的無線能量傳輸，效率達(dá)到了95%^[22],。馬來西亞多媒體大學(xué)UDDIN M K等人在工作頻率大于400 kHz,，傳輸距離為20～30 cm的條件下，實(shí)現(xiàn)了大于3 kW的能量傳輸^[23],。中國科學(xué)院電工研究所廖成林等人基于該技術(shù)設(shè)計的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3.3 kW的無線能量傳輸,，傳輸距離為超過22 cm，與底盤高度相當(dāng)^[24],。東南大學(xué)黃學(xué)良教授課題組設(shè)計了約為3.5 kW的電動汽車無線充電系統(tǒng),，傳輸距離約為25 cm^[25]。

    MCR-WPT雖然優(yōu)點(diǎn)很突出,，但缺點(diǎn)也很明顯,。在頻率方面主要存在著失諧^[26]和頻率分裂^[27]兩個問題。華南理工大學(xué)傅文珍等人指出受到電磁場環(huán)境,、溫度的影響,，以及工作過程中系統(tǒng)的傳輸距離和負(fù)載發(fā)生變化時，發(fā)射端的等效電感會發(fā)生變化,，進(jìn)而造成失諧^[26],。為此,，文中提出了采用鎖相環(huán)PLL控制方法。通過檢測系統(tǒng)輸入端電壓和電流,，比較兩者間的相位進(jìn)而產(chǎn)生誤差電壓,，由該誤差電壓控制調(diào)節(jié)壓控振蕩器，使其輸出新的工作頻率來使系統(tǒng)重新達(dá)到諧振狀態(tài),。韓國三星高級技術(shù)研究所KIM N Y等人提出采用擾動分析法,，選擇初始的工作頻率，然后以一定的步長迭代,，搜尋能夠滿足一定傳輸效率的工作頻率,，然后將搜索到的頻率設(shè)為系統(tǒng)新的工作頻率^[28]。針對頻率分裂問題,，哈爾濱工業(yè)大學(xué)呂玥瓏等人通過合理設(shè)計參數(shù)不同的線圈,，能夠使系統(tǒng)無法滿足頻率分裂的條件，從而有效地解決頻率分裂問題^[29],。日本東京大學(xué)BEH T C等人提出采用自動阻抗匹配方法，利用Γ型匹配電路,，選用繼電器結(jié)合二進(jìn)制電容的自動調(diào)節(jié)控制方法,，將分裂的偶模式下的工作頻率調(diào)整到ISM頻段的13.56 MHz，提高系統(tǒng)在該頻率下的傳輸性能^[30],。

    MCR-WPT的兩線圈間傳輸效率高,，但是受到驅(qū)動源損耗、開關(guān)損耗,、渦流損耗,、工作負(fù)載、阻抗匹配程度等多方面的影響,，導(dǎo)致其整體效率并不高,。中國科學(xué)院電工研究所陳德清等人通過研究系統(tǒng)的損耗模型，得出了當(dāng)磁體結(jié)構(gòu)成發(fā)射狀時系統(tǒng)的總損耗最小^[31],。上海交通大學(xué)傅旻帆等人指出采用DC-DC變換,，跟蹤靜態(tài)和動態(tài)下最優(yōu)負(fù)載值，進(jìn)而提高系統(tǒng)的輸出功率或傳輸效率^[32],。另外韓國電氣研究院Kim Jung-Ho等人指出采用多線圈結(jié)構(gòu),，能夠提高系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度，進(jìn)而提高傳輸效率^[33],。

    由于ICPT和MCR-WPT均是以電磁場為媒介,，因此涉及到電磁安全問題。必須采取相應(yīng)的措施來減弱或消除這些危害,。東南大學(xué)陳琛等人指出在引入汽車金屬底盤后,，能夠?qū)Υ艌霎a(chǎn)生屏蔽作用,，可很好地對人體進(jìn)行保護(hù)^[25]。韓國先進(jìn)科技學(xué)院KIM S通過引入一個串聯(lián)連接了補(bǔ)償電容的諧振線圈來實(shí)現(xiàn)磁場屏蔽^[34],。中國科學(xué)院電工研究所朱慶偉等人提出在發(fā)射裝置外沿加裝水平屏蔽帶的屏蔽方式,，實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性^[35]。

2.3 MPT在EV無線充電中的應(yīng)用

    MPT有很強(qiáng)的穿透效率,，但是要求能量定向精確,，能量利用效率低，且易受氣候條件影響,。MPT多用于太陽能衛(wèi)星,、臨近空間飛行器等遠(yuǎn)距離輸能，目前在低功率應(yīng)用領(lǐng)域得到關(guān)注,。為了將該技術(shù)應(yīng)用于電動汽車無線充電中,，人們進(jìn)行了以下探索：

    三菱重工開發(fā)了基于微波 WPT 的電動汽車充電系統(tǒng)，系統(tǒng)能量變換效率僅有38%,。從2003年到2008年,，日本京都大學(xué)與尼桑汽車公司合作，在工作頻率為2.45 GHz的條件下,，開發(fā)了基于MPT技術(shù)的電動汽車無線充電系統(tǒng),，傳輸距離約為10 cm^[36]。該校的OIDA A等人設(shè)計了越野車輛模型并對系統(tǒng)進(jìn)行測試,，系統(tǒng)的傳輸效率不到1%,。為了改善性能，由原來的喇叭型天線改為拋物線型,，效率雖然提高到了5%,，但還是不能滿足實(shí)際工作需求^[37]。由此可見,，該技術(shù)在現(xiàn)階段存在的主要問題是傳輸效率太低,。

3 EV無線充電未來發(fā)展的方向

    為了能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車無線充電的商業(yè)化，需要從以下幾個方面進(jìn)行進(jìn)一步研究：

    (1)智能取電,，能量加密,。當(dāng)多輛電動汽車同時進(jìn)行無線充電時，需要將能量加密,，對負(fù)載識別,，考慮該給哪輛汽車充電，充多少電量的問題,。只有經(jīng)過識別認(rèn)證的車輛,，才能允許充電。

    (2)有序充電。在無序充電的情況下,，大量電動汽車的充電會加劇電網(wǎng)負(fù)荷波動,，使電網(wǎng)能量損耗和經(jīng)濟(jì)效益惡化，因此,，采取合理的有序充電控制策略能有效地提高電網(wǎng)對大規(guī)模充電負(fù)荷的容納能力,。

    (3)智能導(dǎo)航系統(tǒng)。研發(fā)智能導(dǎo)航系統(tǒng),，引導(dǎo)電動汽車停泊或行駛在與發(fā)射裝置對準(zhǔn)性較高的位置,，既能經(jīng)濟(jì)有效地利用電能，又能降低系統(tǒng)設(shè)計的難度和要求,。

    (4)新材料的應(yīng)用,。通過新材料的應(yīng)用，減小系統(tǒng)的損耗,，提高系統(tǒng)的輸出功率,、傳輸效率，以及增大傳輸距離,、降低錯位容差和方向性的要求,，增強(qiáng)系統(tǒng)的適用度。

4 總結(jié)

    對電動汽車采用無線充電更加符合未來社會的發(fā)展趨勢,。本文主要介紹了三種WPT技術(shù)的工作原理及其在電動汽車無線充電中的應(yīng)用并對在應(yīng)用中存在的問題以及解決方法進(jìn)行總結(jié),。希望通過本文的總結(jié)分析能為WPT技術(shù)在電動汽車無線充電中的研究與應(yīng)用提供有益的參考。

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文獻(xiàn)28-37略

作者信息:

張  鑫,，賈二炬,，范興明

（桂林電子科技大學(xué) 電氣工程及其自動化系,，廣西 桂林541004）